8路巡回檢測、報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1、電子電路實(shí)驗(yàn) 3 綜合設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告題目： 8 路巡回檢測、報(bào)警系統(tǒng)的設(shè) 計(jì)與實(shí)現(xiàn)班級：學(xué)號：姓名：成績： 日期：摘要隨著電子技術(shù)的發(fā)展，家用電器和辦公設(shè)備的智能化、系統(tǒng)化已成為發(fā)展趨勢，而這些 高性能的設(shè)備幾乎都要通過電子電路實(shí)現(xiàn)。 同時(shí)，溫度作為與我們生活息息相關(guān)的一個(gè)環(huán)境 參數(shù)， 對其的測量和研究也變得極為重要。 本實(shí)驗(yàn)基于數(shù)字， 模擬電子電路相關(guān)知識實(shí)現(xiàn)了 8 路溫度巡回檢測、報(bào)警系統(tǒng)。此系統(tǒng)包括 555 時(shí)鐘電路、計(jì)數(shù)與譯碼顯示電路、撥碼開關(guān) 和數(shù)據(jù)選擇電路、蜂鳴報(bào)警電路等模塊。各模塊焊接前均用 Multisim 軟件對電路進(jìn)行了仿 真。8路通道用 8 個(gè)撥碼開關(guān)實(shí)現(xiàn)對工作狀態(tài)的模擬，

2、該系統(tǒng)能對多個(gè)通道的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行 巡回檢測， 當(dāng)某一通道發(fā)生故障 （既撥動(dòng)對應(yīng)通道的開關(guān)）時(shí)，由檢測系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警并顯示 發(fā)生故障的通道號，故障排除后，系統(tǒng)可繼續(xù)進(jìn)行巡回檢測。目錄目 錄 31 設(shè)計(jì)任務(wù) 41.1 設(shè)計(jì)選題 41.2 設(shè)計(jì)任務(wù)要求 42 方案設(shè)計(jì)與論證 52.1 方案一 52.2 方案二 63 單元電路的選定和設(shè)計(jì) 73.1 撥碼開關(guān)電路、數(shù)據(jù)選擇器和蜂鳴報(bào)警電路 73.2 循環(huán)計(jì)數(shù)器和譯碼顯示電路 93.3時(shí)鐘發(fā)生電路 93.4窗口電壓比較器電路 113.5 溫度傳感器電路 124 裝配與調(diào)試 144.1 裝配注意事項(xiàng) 144.2測試儀器 154.3 撥碼開關(guān)電路、數(shù)據(jù)選擇器和

3、蜂鳴報(bào)警電路的測試 154.4 循環(huán)計(jì)數(shù)器、 譯碼顯示電路的測試 164.5時(shí)鐘發(fā)生電路的測試 174.6窗口電壓比較器電路的測試 174.7 溫度傳感器電路的測試 205 實(shí)驗(yàn)總結(jié) 215.1 完成情況 215.2 問題及對策 215.3 收獲與體會(huì) 226 參考文獻(xiàn) 227 附錄 22附錄 1 系統(tǒng)電路圖 . 22附錄 2 元器件清單 . 24附錄 3 實(shí)物照片 . 25附錄 4 實(shí)驗(yàn)日志 . 261. 設(shè)計(jì)任務(wù)1.1 設(shè)計(jì)選題8 路巡回檢測報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1.2 設(shè)計(jì)任務(wù)要求設(shè)計(jì)一個(gè) 8 路巡回溫度狀態(tài)檢測、 報(bào)警系統(tǒng)， 能夠?qū)?8 個(gè)測試區(qū)域的溫度狀態(tài)是否正常 進(jìn)行巡回檢測； 當(dāng)某

4、一測試區(qū)域的溫度超過正常范圍時(shí)， 由巡回檢測系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警并顯示第 幾個(gè)測試區(qū)域出現(xiàn)故障。1. 基本要求：（1）實(shí)現(xiàn)一個(gè) 8 通道狀態(tài)巡回檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)在正常狀態(tài)下輸入低電平，而高電平輸入 表示出現(xiàn)故障。（2）巡回檢測周期要求不超過 8 秒。（3）當(dāng)某一個(gè)通道出現(xiàn)故障時(shí)，停止檢測，并且發(fā)出報(bào)警和顯示故障通道的序號。（4）電壓比較器：可設(shè)定上、下限電壓報(bào)警值；當(dāng)鉑熱電阻傳感器調(diào)節(jié)電路輸出電壓超過 上、下限值時(shí)，輸出低電平。20（5）利用鉑熱電阻 Pt100 完成溫度檢測，實(shí)現(xiàn)溫度量轉(zhuǎn)換為直流電壓，并要求溫度變化 度時(shí)，檢測電路輸出的電壓變化不小于1V。2、擴(kuò)展要求：利用濕度傳感器CM-R實(shí)現(xiàn)濕度

5、狀態(tài)測量。2方案設(shè)計(jì)與論證2.1方案一基本要求部分，用八個(gè)撥碼開關(guān)，模擬八路通道工作狀態(tài)，閉合撥碼開關(guān)時(shí)，74LS151對應(yīng)輸入端輸入低電平，W輸出高電平，驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管，蜂鳴器響，74LS151芯片Y端口輸出為低電平，計(jì)數(shù)器 74LS160停止計(jì)數(shù)，QA QB,QC輸出數(shù)據(jù)保持為出現(xiàn)故障的二進(jìn)制碼， 通過譯碼器得到數(shù)據(jù)在共陽數(shù)碼管上顯示的是一個(gè)不變的值。利用555震蕩電路產(chǎn)生10Hz的計(jì)數(shù)脈沖，用于 74ls160 計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)工作，滿足檢測周期不超過八秒的要求。當(dāng)數(shù)據(jù)控制端處于高電平時(shí)，74ls160開始計(jì)數(shù)，通過 QA，QB QC QD輸出bed碼到74ls47 和 74ls151的A,B.C

6、 端口。計(jì)數(shù)器一直在07循環(huán)，出現(xiàn)7的時(shí)候，計(jì)數(shù)器74ls160 芯片QA QB,QC,QD分別顯示1,1,1,0 ,接下來出現(xiàn)8的時(shí)候，QA,QB,QC,QD顯示0,0,0,0 ， 通過反相器輸出一個(gè)低電平，計(jì)數(shù)清零。譯碼器電路，采用74ls47d 譯碼輸出，通過數(shù)碼管顯示掃描結(jié)果，當(dāng)無故障時(shí)，數(shù)碼管一次顯示07的數(shù)字，當(dāng)某一路出現(xiàn)故障時(shí)，停止巡回檢測，數(shù)碼管時(shí)鐘顯示這一路對應(yīng)數(shù)碼。采用電壓比較器設(shè)定上、下限電壓報(bào)警值；當(dāng)檢測電壓超過設(shè)定上、下限值時(shí)，輸出低電平，蜂鳴器報(bào)響。系統(tǒng)方框圖如圖2.1所示。圖2.1系統(tǒng)方框圖2.2 方案二采用帶有中斷控制器的單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)，利用軟件定時(shí)來對八個(gè)通道逐

7、次掃描和驅(qū)動(dòng)數(shù) 碼管動(dòng)態(tài)顯示。 利用中斷系統(tǒng)捕捉下降沿電平， 當(dāng)通道由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)， 單片機(jī)捕 捉到下降沿， 停止掃描， 同時(shí)讓數(shù)碼管顯示該通道和驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警。 由于本題目有八路通 道，故需要用到八路外部中斷，因此需要采用較為高端的單片機(jī)，如STM32系列。方案二電路簡單，只需要單片機(jī)最小系統(tǒng)和一個(gè)數(shù)碼管即可。但是編寫軟件的難度較 大而且成本較高，電路板不適合自己動(dòng)手焊接。綜上所述， 從實(shí)驗(yàn)的要求， 方案的難易程度以及方案是否易于實(shí)施的角度考慮， 采用方 案一， 此方案滿足本選題的技術(shù)指標(biāo)要求，難度較低，只涉及硬件電路部分，對于軟件部分 不做要求，易于實(shí)現(xiàn)。3單元電路的選定和設(shè)計(jì)3.

8、1撥碼開關(guān)電路、數(shù)據(jù)選擇器和蜂鳴報(bào)警電路VcC>1-2 - :Rl<Fs.R-. I.Ls4LS1B10XMMIL1SUZZE f圖3.1撥碼開關(guān)電路、數(shù)據(jù)選擇器和蜂鳴報(bào)警電路如圖3.1所示，撥碼開關(guān)一端與相接，另一端接數(shù)據(jù)選擇器的通道引腳。若撥碼開 關(guān)閉合，則該通道被認(rèn)為接低電平，若斷開，則該通道被認(rèn)為接高電平。數(shù)據(jù)選擇器選用八選一芯片74LS151，通過控制地址端從而確定哪一路被選通，選通的那一路從Y端輸出，W端輸出與其相反。由于高電平為正常，低電平為異常。在正常情況下蜂鳴器應(yīng)該不響。故蜂鳴器應(yīng)接到W端，一旦被選通的通道為低電平，W端輸出高電平，三極管導(dǎo)通，蜂鳴器響，發(fā)出警報(bào)。

9、TTL器件輸入引腳懸空即為高電平，但實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)其高電平與5V差的較大，故需要接上拉電阻，使系統(tǒng)穩(wěn)定性提高。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)上拉電阻一般取值為1K10K,這里取1K,三極管實(shí)際選用 9013,偏置電阻取1K。地址選擇為100,開關(guān)斷開時(shí)，W端輸出低電平，蜂鳴器不響。開關(guān)閉合時(shí)，W端輸出高電平，蜂鳴器響。仿真如下圖所示:門日 IIS1Mn I:<GI J9 - - JXMII；L-一：-.BUZzlERaoHz3.2循環(huán)計(jì)數(shù)器和譯碼顯示電路如圖3.2所示，在時(shí)鐘信號作用下，當(dāng)數(shù)據(jù)控制端ENP處于高電平時(shí)，74LS160開始計(jì)數(shù)，QA,QB,QC,QD俞出BCD碼到74LS47的A,B,C,D端，數(shù)

10、碼管實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前檢測的通道號。 計(jì)數(shù)到8時(shí)對應(yīng)1000, QD端輸出高電平，通過反相器74LS04輸出一個(gè)低電平給 74LS160的CLR端，計(jì)數(shù)清0,從0開始重新計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn) 0-7的循環(huán)八進(jìn)制計(jì)數(shù)。采用74ls47驅(qū)動(dòng)顯示譯碼電路，顯示部分使用的是共陽數(shù)碼管，74ls47的AG輸出端分別對應(yīng)接數(shù)碼管的 ag,通過上拉電阻對數(shù)碼管進(jìn)行分壓限流。LED數(shù)碼顯示模塊的工作VCC Vf 5 166電壓為1.66V ,工作電流為10mA。上拉電阻阻值計(jì)算為：R5334Ion0.01根據(jù)實(shí)驗(yàn)室提供的電阻，選用 R=330歐。3.3時(shí)鐘發(fā)生電路采用NE555接成多諧振蕩器，RST為高電平時(shí)電路正常工作，D

11、IS端為555芯片內(nèi)部三極管的集電極，其中電容的充放電利用二極管使其相互分開，并令這兩條回路的充放電時(shí)間常數(shù)T相同，以便使所形成的波形為占空比為50%勺方波，當(dāng)輸出為高時(shí)，DIS端電壓被拉至0V，電容C1通過D2, R2放電，當(dāng)輸出低電平時(shí)，VCc通過R1，D1給C1充電。充電時(shí)間：Tl n2*C1*R1放電時(shí)間：T2 In2* C1* R2振蕩周期：T TI T2 ln2*C1*(RI R2)故取：C1=0.1uF, C2=001uF, Ri 750k , R2 750 k電路及仿真波形如下圖所示7 SOQ1»R2 <7500圖331時(shí)鐘發(fā)生電路圖3.3.2仿真波形3.4窗口

12、電壓比較器電路窗口電壓比較器有兩個(gè)閾值，實(shí)驗(yàn)要求超過其上下限時(shí)輸出低電平， 所以用兩片運(yùn)算發(fā) 大器接成具有不同閾值的電壓比較器即可，這里的運(yùn)算發(fā)大器采用的是 LM324,由于閾值的 上下限可調(diào)所以用滑動(dòng)變阻器構(gòu)成的分壓器電路。VCC * (R2R23V上限電壓：Ri下限電壓:VCC* R22VRiR 510 ,R2 1K ,R3 1K5.V-RGJcha KT-A 0¾At510Q'':AWtr*414S LM324AD.-±-cc ：.：.：；r , . . . . s, 羅.UZA -'DZ -IhHl4«LM324AD；:EBM -

13、LA輸入低于下限電壓 2V時(shí)萬 3?-XWM41.154 V方,1Sxm:JlI<X-M E輸入高于上限電壓 3V時(shí)萬 *XlMilM釘【即IaHK2打 IiE-XlMMSL*J 1J lJ曲1.434 V-1 仙 EVI ? V-tN4l4 :IJMi24A>-J方 R*KMiMl.K*AL£2 I-TlIrr 用 s-r-r?" . H " l3.5溫度傳感器電路采用R1,R2,R3,Pt100構(gòu)成單臂測量電橋，當(dāng)PtIOO電阻與R1,R2,R3不同時(shí)，電橋輸出一個(gè)mV級的壓差信號U1, U1 ,經(jīng)過運(yùn)放LM324放大后輸出期望大小的電壓U2,電路

14、中R7=R6,R仁R4放大倍數(shù)=R6R1,運(yùn)放采用單一 5V供電。PtIOO隨溫度變化阻值發(fā)生改變后, U2大小正負(fù)也隨之改變，因此，采用雙LM324,可保證Pt100>R,Pt100<R時(shí)輸出為高電平,PtIOO=R時(shí)輸出為低電平。該輸出電平的高低區(qū)分不明顯，串聯(lián)接入兩個(gè)反相器。 經(jīng)測試，實(shí)驗(yàn)室溫度下pt1OO阻值為1O7歐姆，故選取電橋電阻R=11O歐姆。放大倍數(shù)：AU R6RlU1-e* R4R電橋輸出電壓：R IRPt100 RI電路如下圖所示： R5R2I .1 B K I .1 I Btle B I B 4 B IaIlaaliJ I. K I B 4 Kla Illa

15、 IIelJB B I 4 B H *-jW1JwIlaa : ÷iiqq :萬用-XMMlLM324ADR5Ra d >:-j Ld Bldkla L .，LjWX1IW：Morft ；【T IlorQ3.566 VPtIooVR 時(shí)PtIoo>R 時(shí).i, . . VCC ,.Pt . :R3 ,.'y - j - IV11O 95¾ IIaaB1 r I I 1 Pr BIf I SrKey=A*IaKlJ -< I IJii | - R：；網(wǎng) ikVA:：1KQ : B -：ft4R7-VV E5. OVUIAXMMiI: 1 :R5 R2

16、IIrl-I ,r IBrnrlL-VA-W伯（Jg :吉一 IIotn -LM3MAD4裝配與調(diào)試過程4.1裝配注意事項(xiàng)1、注意電路布局；2、盡量少用跳線；4.2測試儀器（1）萬用表；（2）直流穩(wěn)壓電源：EM1712 DC;（ 3）信號源：（4）示波器：TDS3502B500MHZ4.3撥碼開關(guān)電路、數(shù)據(jù)選擇器和蜂鳴報(bào)警電路的測試在電路上電的情況下，擬給數(shù)據(jù)選擇器一個(gè)地址輸入，選通相應(yīng)的數(shù)據(jù)通道，然后測量 輸出端Y的電平狀態(tài)是否與該通道的輸入電平狀態(tài)一致，若輸入為高電平，蜂鳴器應(yīng)該響起警報(bào)聲，低電平時(shí)不響，只有滿足上述條件才認(rèn)為該部分電路設(shè)計(jì)正確。具體的實(shí)物電路如圖4.1所示。數(shù)據(jù)選擇器檢測

17、采用先設(shè)置74LS151的地址輸入，即選定一個(gè)數(shù)據(jù)輸入通道，然后檢測的是輸出端Y的電平是否隨著該數(shù)據(jù)輸入通道的電平變化而變化。具體過程如下：1、 如圖431 （左圖）所示，設(shè)置 74LS151的地址輸入為100 （紅線接地，TTL懸空為 高電平），即選通的數(shù)據(jù)通道為D4;。2、 從4.3.1中可以看出，輸出端 W的電壓為0.20V,可認(rèn)為低電平，與 Y端輸出相反。3、從圖4.3.2 （右圖）可得，W端電壓為4.43V，可認(rèn)為是高電平，Y端為低電平，此時(shí)蜂鳴器發(fā)出報(bào)警時(shí)，滿足輸入為高電平時(shí)報(bào)警的條件。對于其余7路通道的檢測，方法亦如此，只有改變輸入地址即可。最終檢測結(jié)果是該部 分電路滿足設(shè)計(jì)的要

18、求。4.4循環(huán)計(jì)數(shù)器、譯碼顯示電路的測試74LS160的是時(shí)鐘輸入可以用信號發(fā)生器的方波替代，給電路上電，計(jì)數(shù)器在時(shí)鐘信號的作 用下開始循環(huán)記數(shù)，并將計(jì)數(shù)狀態(tài)送給7447進(jìn)行譯碼，結(jié)果在數(shù)碼管上顯示。將計(jì)數(shù)器的ENP端接成高電平，觀察數(shù)碼管是否循環(huán)顯示，測試結(jié)果如下：圖441圖442圖443圖441中顯示為數(shù)字6,可以看到數(shù)碼管有兩處不能正常顯示， 圖442中的數(shù)字O亦如此, 但不影響其正常功能， 我們依舊可以觀察到數(shù)碼管 07的數(shù)字顯示，所以，此單元測試符合要求。4.5時(shí)鐘發(fā)生電路的測試555時(shí)鐘電路接入電源后，用示波器觀察能顯示出占空比為50%的方波。實(shí)際555電路輸出波形如圖4.5所示。

19、從圖中可以看出方波頻率f=8.013HZ ,經(jīng)計(jì)算，滿足巡回檢測周期不超過8s的要求。ajlz-MU iUrm* T.UI幣"斗56U WOV廣嚴(yán)皿“3警g_ fTtw 夂曲U NFrP1 電 ！豈沁咚丄選竺， flJh-56lJ IPrd-124. g JCnj>=5e6 0*h" 4.4U(Fr*0 13hI-CIiJtw»<5-42,*V Ti»* 2*K *-*«0«I£4.6窗口電壓比較電路的測試窗口電壓比較器的測試方法為：在確保電路已經(jīng)上電的情況下，調(diào)節(jié)電容，使得該電路有兩個(gè)不同的電壓閾值， 同時(shí)使輸

20、入電壓從小于下限電壓的值慢慢增大，直到大于上限電壓為止。觀察其輸出端是否滿足“低電平一一高電平一一低電平”的變化規(guī)律。上限電壓下限電壓輸入在閾值范圍內(nèi)輸出輸入在閾值范圍外輸出4.6溫度傳感器電路的測試如下圖左上方5 實(shí)驗(yàn)總結(jié)5.1 完成情況5.2 問題及對策5.3 收獲與體會(huì)本次實(shí)驗(yàn)中， 運(yùn)用自己所學(xué)的知識， 獨(dú)立的設(shè)計(jì)、 仿真、焊接、調(diào)試電路， 熟練了 Multisim 的應(yīng)用，提高了我的動(dòng)手能力以及分析、排除故障的能力，也讓我更加熟練運(yùn)用所學(xué)知識。 在焊接過程中我學(xué)到了很多， 焊接前的合理布局， 實(shí)驗(yàn)儀器的使用， 遇到故障時(shí)的分析排查。 實(shí)驗(yàn)中， 多數(shù)故障都是因?yàn)楹附与娐烦鲥e(cuò)或芯片未正常供

21、電導(dǎo)致， 所以實(shí)驗(yàn)中， 我們必須要 細(xì)心，并且出現(xiàn)錯(cuò)誤也不能著急，要靜下心來逐一排錯(cuò)才行。6 參考文獻(xiàn)1 閻石.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) (第 5 版) . 清華大學(xué)電子學(xué)教研組 ,高等教育出版社 (2006-05).2 謝紅.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第 3 版). 哈爾濱工程能大學(xué)出版社( 2013-01 )3 施齊云等 . 數(shù)字電子技術(shù)實(shí)踐教程 . 哈爾濱工程大學(xué)出版社4 施齊云等 . 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) . 哈爾濱工程大學(xué)出版社7 附錄附錄一 系統(tǒng)電路圖VCCIOVHRlbmiihe75(JQ7sm555 VIRTUALm1N414SC4XO-OiFViM4R5 -2CI W-A'X'此

22、亡： ' ' ' »*11'(M414ILM324AD- Dl> 1lhM14HLM324AD+R3 IWa : R5L-VAR2:11oP : 25 %Key=AJ6Rl IOkQIM1： : R4WV ;JknI XMMI附錄二元器件清單8路溫度狀態(tài)巡回檢測、報(bào)警系統(tǒng)一 元器件清單兀器件數(shù)量萬用板18位撥碼開關(guān)1共陽數(shù)碼管 （5101BH）1PtIOO熱電阻1蜂鳴器174LS151 （8選i數(shù)據(jù)選擇器）174LS160 （十進(jìn)制計(jì)數(shù)器）174LS04 （6 非門）174LS47 （譯碼器）1NE5551LM3241電容0.01UF1電容0.

23、1 UF1C9013 （三極管）11N4148 （二極管）420k電位器1DIP163DIP142DIP83110 電阻3330 電阻71K 電阻13510 電阻110K 電阻23.3K 電阻1750K 電阻2排針若干杜邦線（帽）若干導(dǎo)線若干焊錫若干附錄三實(shí)物照片附錄四實(shí)驗(yàn)日志（一）8路巡回檢測、報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)日志指導(dǎo)教師:實(shí)驗(yàn)時(shí)間：學(xué)院：專業(yè):班級:學(xué)號姓名：實(shí)驗(yàn)室：實(shí)驗(yàn)題目：8路巡回檢測、報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、培養(yǎng)學(xué)生能夠綜合運(yùn)用電子技術(shù)知識，獨(dú)立設(shè)計(jì)綜合性較強(qiáng)的系統(tǒng)級實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目一一一個(gè)多路溫度狀態(tài)巡回檢測系統(tǒng)2、培養(yǎng)學(xué)生能夠根據(jù)項(xiàng)目需求，獨(dú)立地查閱中英文資料（如電子器件手冊等有關(guān)資料）并給出設(shè)計(jì)方案、完成設(shè)計(jì)任務(wù)。3、掌握電子設(shè)計(jì)基本過程與方法，掌握各類基本單元的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而利用單元模塊實(shí)現(xiàn)